回采巷道锚杆支护影响因素的FLAC分析.pdf

第l 8 卷第 5 期 1 9 9 9 年 l 0 月 岩石力学与工程学报 五讧e 搀 Jo u ,, ,n a f Ro c k M e c h a ai c s a a d En g i a e e e i n g 0c ． ．1 9 9 9 回采巷道锚杆支护影响因素的 F L AC分析 g - 3 q , - j 7 康缸普 蝙 E 嶷科学研究总院开采研究所北京1 0 0 0 1 3 1 ≥ D 1 一 摘要介绍了目 前国际上比较流行的有限差分程序F L A C 3 ． 3 。 以山东新汶矿区锚杆支护回采巷道为条件， 运用该软 件分析了地应力、 层理、 节理分布及其强度和刚度、 围岩强度等多种因素对巷道围岩变形和破坏的影响， 并与井下 实测数据进行了对比． 结果表聪， 岩层不连续面分布及力学性质对顶扳岩层变形和锚杆受力影响最为明显， F LA C 3 ． 3 软件在分析几f } 线性和大变形问题方面性能优越。 关 蕾 童 垦 薹 坌 韭 ， F L A C , 曼 墨 董 蚤皇 塑 -盟． 墅 堕 里 茎 1 F L A C ． 3 软件简介 F L AC Fa s t La g r a n g i a n An a l y s i s o f Co n t i n u a 是一种用于工程力学计算的显式有限差分程序E 1 ． ． - 。 该程序可模拟土、岩石等材料的力学行为0 ～ 5 ] 。 F L A C3 ． 3 3． 9 9 5 年 是 目前最新二维版本 ．它采用了 显式拉格朗 日算法及混合离散划分单元技术 ，使褥 该程序能够精确地模拟材料的塑性流动和破坏。因 为在计算过程中不形成矩阵， 所以大型维问题不 需要过多的计算机内存。 与有限元法相比。 F L A C解 线性问题较慢． 而解非线性问题较快， 特别是在太变 形和几何非线性的情况下， 具有明显优势 F L A C内部舍有多个力学模型 ， 如摩尔一 库仑模 型， 应变硬化／ 软化模型。 节理模型及双屈服模型等， 用以模拟高度非线性， 不可逆等地质材料的变形特 征。除此之外 ， F L AC还有多种特殊功能 F L AC中 含有界面单元， 可以模拟岩层中不连续面f 舍有 4 种 结构单元， 分别为梁 、 锚杆、桩及支柱单元 ， 可模拟 各 种支 护构 件 f F L AC 内部 还 有 一 种 编 程 语 言 F I S H， 运用该语言， 用户可编{} j 自己的函数、 变量， 甚至引入 自定义力学模型， 显著扩大了 F L A C的应 用范围和灵活性 。 F L A C的求解过程如图 1 。 首先从已知的应力或 力， 据运动方程导出新的速度和位移， 然后由速度导 出应变速率， 从而求出新的应力。 2 数值模拟条件及力学模型 2 ． 1 模拟对象 数值模拟对象是新汶矿务局协庄煤矿 1 2 1 2 东综 采工作面运输巷 巷道开掘在 2 煤层中， 顶底板岩 层分布和巷道支护断面如图 2 ， 3 。开挖方式为炮掘， 顶板采用 w 钢带加长锚 固组合锚杆支护。 倾斜锚杆 为 2 O _ Mi 8 2 4 0 0 ， 顶板中部锚杆为 l 8 M1 6 - 2 0 0 0 ， 排距 0 ． 6 m。 两帮采用 3 6 1T i 1 T i xl 6 0 0 1 T i 11 1 木锚杆支 护 。 2 ． 2 数值模型 模型模拟范围为长 x宽 6 O ] 3 1 x6 0 m。采用应 力边界条件， 模型的上表面施加均匀的垂直压应力， 模型两徊面施加随深度变化的水平压应力， 模型下 表面垂直和水平位移固定。 采用两种力学模型模拟 岩层 一种是应变软化模型， 模拟巷道直接顶、 直接 底及距巷帮3]3 1 内的煤层 。 其 他范围内的岩 层采 用 图 1 F L A C求解过程示意图 Fi g 1 S c h e ma t i c d i a g r a m o f F LAC c o mp u t i n g p r o c e s s 1 9 9 9 年 1 月 1 2日收到韧稿， 1 9 9 8 年 6 月2 2日收割謦改稿． 作者 康红普 简舟t 男， 3 4 岁， 博士， 1 9 8 5 年毕业于山西矿业学院采矿系采矿工程专业， 现任研究室主任， 主要从事巷道支护方面韵工作。 维普资讯 第 1 8 卷第 5 期 康红普 回 采巷道锚杆支护影响因素的F L A C分析 。 5 3 5 。 节理模型 直接顶内无层理 层理强度刚度小 层理强度雕庄大 既有层理又有节理 匿岩 强度模型 模型 l 3 直接顶厚 2 ． 5 模型 l { 直接顶厚 3 ． 5 模型 l 5 直接顶为爆层 模型 】 6 无直接顶 模型 】 7 煤帮强度低 模型 l 8 煤帮强度高 埋探 厚度 柱状 岩性 ／ m ／ m ●， 细甄中 1 0 ． 2 粒砂岩 ● ， _ _ 1 ． { 9 灰色泥页岩 2 ．8 6 _ 2 If煤 层 540 0 ．6 ＼ ，灰 黑 色 炭 质 泥 岩 1 4 i Ⅲ 砂岩 图 2 巷道岩层柱状图 Fi g ． 2 S t r a t a c o l u mn a r s e c t i o n 图 3 巷道支护断面图 F i g． 3 C r o s s s e c t i o n o f b o l t o d ma i n g a t e 3 模拟结果及分析 3 ． I 地应力对巷道变形的影响 原岩应力状态下 模型 1 ， 巷道围岩位移和破坏 范围都很小。垂直应力与围岩位移关系如图 4 水平 应力均为 2 。 随着垂直 应力增加，顶板下沉量和 帮位移量都在不断增 加， 特别是 帮位移量增加剧烈， 两帮塑性区急剧扩大 。可见 ， 垂直应 力对巷道两 帮 煤层的位移和破坏影响最为明显。 水平应力与巷道位移的关系如图 5 垂直应力均 为 2 。 随着水平应力增大， 巷道顶板下沉量、 底臌 都明显增加，两帮位移也显著增加，但幅度没有前 两者大。 拉断区和剪切破坏区迅速扩展至整个直接 顶和直接底。两 帮煤层 的破坏深 度没有 明显增加， 但出现破坏的单元数明显增加， 拉断区深度和范国 也显著扩大。可见， 水平应力是决定巷道顶板岩层 变形和破坏的关键因素。但大水平应力下两帮煤层 的挤出变形也不可忽视。 E E 潍 趔 垂直直力， J r 1 ． 璜板 2 ．底扳 3 ． 帮 图 4 垂直应力与围岩位移关系 Fi g- 4 Ve r t i c a l s t r e s s v e r s us d i s pl a c e me n t 摩尔一 库仑模型。采用界面单元模拟岩层面和节理 。 巷道全断面一次开挖， 模拟炮掘。 3 ． 2 层理和节理对巷道变形的影响 2 ． 3 模拟方案 3 ． 2 ． 1 层理 模拟方案共 1 8个 表 1 ， 分析不同条件下巷道 直接顶内层理数 目对顶板下沉和破坏有显著 的 围岩变形和破坏的规律 。 影响。如直接顶内无层理的模型 9 ，比直接顶 内有两 条层理的模型 7 ， 碾扳下沉量减少 3 0 。 维普资讯 5 3 6 岩石力学与工程学报 1 9 9 9 E { 涣 2 3 水平应力／ y H 1 ．顶板 0 底扳 3 ． 帮 图 5 水平应力与围岩位移关系 Fi g． 5 Hor i z on t a l st r e ．ss v e r s us d i s p l a c e me nt 层理面的强度和刚度也严重影响着巷道 围岩的 变形和破坏。 模型 l 0和 1 1 层理 问的强度和刚度分 别为很小和很大 模型 1 0 顶板下沉量高达 6 2 0 mm， 帮位移量 9 1 4 i n m，已属于严重 的几何非线性 问题。 顶板岩层出现大面积剪切和拉破坏 区，层面 间产生 了显著的离层 ，两帮剧烈向巷道内挤入，岩层与煤 层交界面上的滑动十分显著 相反，模型 1 1 顶板下 沉量仅 9 0 mi l l ， 帮位移量 3 1 2 mm 3 ． 2 ． 2 节理 模型 1 2 模拟了顶板既有层理又有倾斜节理的情 况。 顶板下沉量为 2 8 6 mi l l ， 顶板岩层在层理和节理 面处出现了明显的离层和滑动 相反 ， 对于无节理 的模型 2 ，其顶板下沉量仅为模型 1 2的 2 l ， 顶板 无明显破坏。表明顶板岩层中节理 的存在严重 影响 岩层的变形和破坏状态 。 3 ． 3 围岩强度对巷道变形的影响 模型 1 5的直接顶为煤层 ， 强度小 ， 属全煤巷道 图 6 。 模型 l 6直接顶强度等于老顶强度 图7 。 前 者顶板下沉量高达 5 9 0 mi l l ， 而后者顶板下沉量仅为 6 2 ram。随着顶板强度降低 ，下沉量急剧增 加。 顶板 发生剪切 和拉断破坏 的范围也明显扩大 。 此外 ， 直 图 6 巷遭玻坏状态 全煤 F l g ． 6 D e a n a S e s t a t e o f ma l n g a t e c o a l r o o f 、 l } l I， 囊 ； l ； j ； 。 f { ； I l l I i l I ； ． ； } i i ． j } l l I。 拉 伸 破 坏 I l ； ； ’ } } { I 一 剪 切 破 坏 『l l；一 }I x 一弹性 - 在过击商服 图 7 巷道破坏状态 无直接顶 Fig． 7]D a ma g e s t a t e o f ma i n g a t e n o i mme d i a t e r o o f 接顶厚度 模 型 1 3 ，1 4 ，两 帮煤层强度 模 型 l 7 ， 1 8 对巷道变形和破坏都有影 响。随着直接顶厚度增 加，两帮煤层强度降低，巷道 围岩变形和破坏范围 都有不同程度 的增加。 4 井下试验 在新汶矿务局协庄煤 矿 1 2 1 2 东运输巷， 试验了 锚杆支护 ， 支护参 数与数值模型相同。从井下施工 开始到巷道报废 ， 进行了长期矿压观测 。累计的顶 底板移近量为 3 7 1 l n ln ， 两帮移近量为 4 2 3 mn l 。 巷 道维护状况满足 了生产需要 井下实测地 应力的结 果表 明， 垂直应力 和最大水平应 力相差 不大。模型 l 2考虑了采动影响 ， 岩层层理和节理分布，计算结 果与实测值相差不大 ， 表明 F L AC 3 ． 3 可以比较合理 地模拟巷道 围岩 的大变形和破坏 ， 计算结果有一定 的可靠性 5 结论 1 F L AC3 ． 3 是一种性能比较优越的数值计算 软件。在解决几何非线性、大变形问题上尤为突出， 为煤矿巷道支护设计提供了一个有力工具。 2 在倾斜或缓倾斜煤层中开掘的矩形或倒梯 形巷道中 ， 垂直应力对巷道两帮煤层的位 移和破坏 影响最为明显 ， 而水平应力是决定巷道顶底板变形 和破坏的关键因素。 大水平应力下， 出现大面积拉、 剪破坏， 岩层间发生错动和离层是顶板破坏的显著 特点。 3 层理和节理密度 、 强度 、 刚度以及分布， 严 维普资讯 第 1 8 卷第 5 期 康红普．回采巷道锚杆支护影响因素的F L A C分析 5 3 7 重影响着岩层的变形和破坏方式。 其影响程度在很 多情况下超过任何其他因素。 4 顶板软弱岩层厚度和强度对顶板下沉和破 坏的影响也 比较明显 。此外 ，煤层强度是决定煤帮 位移和破坏的关键 因素 ， 也 明显影响顶板下沉 ，完 整稳定的两帮有利于提高顶板的稳定性． 参考文献 l Co e t z M J F LAC B a s i c s ．I t c a Co n s u l t i ng Gr ou p I n ，1 9 9 3 2 FLAC3 ． 3 U s e r s M mu a 1 ． 衄 龃 Co r mu l t i n g Gr o u p I n c ．，l 9 9 5 3 粱海被． 李仲奎， 各兆祺． F L A C程序及其在我国水电工程中的 应用．岩石力学与工程学报， l 9 9 6 ， l 5 3 2 2 5 2 3 0 4 黄润秋． 许强． 显式拉格朗日 差分分析在岩石边坡工程中的应 用． 岩石力学与工程学报， 1 9 9 5 ， l 4 4 ； 3 4 5 3 5 3 5 谢和平． 周宏伟． 王金安． F L A C在爆矿开采沉陷预测中的应用 厦对比分析．岩石力学与工程学报 ， 1 9 9 9 ， 1 8 4 3 7 1 3 7 5 FLAC ANALYs l S oN AFFECTI NG FACToRS To RoCK BoLTI NG I N GATERoADS Ka n g Ho n g pu ∞l r 4 G o a l R e ． a r c h， _ 缸 ， 鱼} 1 0 0 0 1 3 n Ab s t r a c t Th e po p ul a r f i n i t e di f f e r e nc e c o d e FLA C3 ．3 i s i nt r o d u ce d ． The i nflue nc e s o f i n s i t u s t r e s s es ， b e d d i n g s a n d j o i n t s ，s t r e n g t h o f s u r r o u n d i n g r o c k o n t h e d e f o r ma t i o n a n d d a ma g e o f t h e r o c k s u r r o u n d ing ga t e r o ad s a r e a n a l yz e d u nd e r t he c o n di t i o n o f a b o l t e d ma i ng a t e i n Xi n we n c o a l a r e a The n u m e r i c al m o d e l ing r e s ul t s a r e c omp ar e d wi t h t h e m e a s ur e me n t da t a i n t h e f i e l d． I t i s p o i nt e d o ut t ha t t he di s t r i b ut i o n a nd a l e e han i c a l p r o pe r t i e s o f d i s c on t i n uo u s pl a n e s r e t h e m o s t i mpo r t a n t f a c t or s t o t he d e f o r m a t i o n a n d r o c k b o l t l o a ds ．FLAC3 ． 3 i s o ut s t a n ding t o s ol v e ge o me t r i c no n l ine ar a n d l ar ge s t r a i n p r o b l e ms ． Ke y wo r ds f i ni t e d i f f e r e n c e，FLAC，g a t e r o a d，r o c k b ol t i n g，a f f e c l i n g f a c t o r s 岩石力学与工程学报 编务新规定 岩石力学与工程学报 编辑部 自1 9 9 4 年由北京移至武汉后， 基本上延用原北京编辑部的编务程序， 这对学报的正常运作 起了不小的作用。 近年来 ， 随着生活和工作节奏的加快， 以及邮费的逐年增加， 越来越多的作者对 目 前编务程序中要求作者预 先邮寄审稿费、 保密证明和版面费支付承诺书的做法表示不满； 希望适当提高版面费， 去繁就简， 既方便作者， 也减少编务工 作量。 岩石力学与工程学报 编辑部衷J 感谢广大作者的批评， 诚恳接受大家的意见， 决定自现在起 1 来稿律不收审稿费． 2 来稿作者不需补寄骧稿以外盼材料。 与稿件有关的欠缺材料改在修改意见中注明。 3 稿件发表时每页增加 l 0 元版面费， 即 4 页和 4 页以内每页版面费为 1 1 0 元； 4 页以上版面费每页为 1 6 0 元． 4 凡作者要求订阅学报的， 可不必另哿订费， 只要来信说明或寄来订单即可， 订费可折算在版面费中以后一起汇来． 5 自1 9 9 9 6 期开始。 凡原先巳 交审稿费的作者。 其论文版面费相应减少 4 0 元． ‘ 岩石力学与工程学报， 编辑部 一 九九九年九年七日 维普资讯